近日，国际权威期刊Small以研究性论文（Research Article）的形式在线发表我组在无空穴传输层有机太阳能电池研究领域取得的新进展。论文题为“Hole-Transport-Layer-Free Organic Solar Cells with Enhanced Efficiency upon Halogenated Solvent Treatment”。博士研究生吴薇薇为该论文的第一作者，孙瑞副研究员和闵杰教授为该论文的通讯作者，武汉大学高等研究院为第一署名单位/唯一通讯单位。
在传统的有机太阳能电池中，PEDOT:PSS作为空穴传输层虽然能够提高电池效率，但其存在的能级不匹配、强酸性、强吸湿性等问题会显著降低器件性能。为了解决这些问题，我们团队开发了一种新型的无界面层有机太阳能电池。通过将ITO基底浸入1,2-二氟苯、1,2-二氯苯、1,2-二溴苯和1,2-二碘苯与过氧化氢的混合溶剂中，并在紫外线照射下，成功制备了四种不同的ITO卤化阳极（分别为ITO-F、ITO-Cl、ITO-Br和ITO-I）。这些阳极的功函数从ITO的4.63 eV增加到5.30、5.32、5.24和5.28 eV，接近ITO/PEDOT:PSS的5.22 eV，有效改善了能级匹配问题。基于不同ITO阳极的PM6:L8-BO:BTP-eC9器件中，能量转换效率（PCE）分别达到了17.81%（ITO-F）、19.48%（ITO-Cl）、17.05%（ITO-Br）和17.34%（ITO-I），其中ITO-Cl阳极器件显示出了优异的光伏性能。这一策略不仅提升了器件的效率，还简化了有机太阳能电池的制备过程，降低了制造复杂性。此外，我们通过全面的实验分析，建立了理论计算、活性层薄膜形态和物理动力学之间的联系，进一步阐明了导致器件效率差异的主要因素。这项工作为我们提供了一种新的途径，来提高有机太阳能电池的光伏性能，同时降低了生产成本，对于推动有机太阳能电池技术的商业化具有重要意义。
图1. （A）所研究的光伏材料的分子结构与ITO-F/Cl/Br/I阳极制备工艺概述（器件结构为：ITO-F/Cl/Br/I/Active layer/PFN-Br/Ag）；（B）各阳极的透光率；（C）由紫外光电子能谱测试得出的各阳极能级图；（D）各阳极表面的元素映射图，其中ITO-F对应青色的氟原子，ITO-Cl对应黄色的氯原子，ITO-Br对应红色的溴原子，ITO-I对应蓝色的碘原子；（E）ITO，ITO-F/Cl/Br/I和ITO/PEDOT:PSS基质的原子力显微镜高度图(5 × 5 μm2)
图2. (A) ITO-F，(B) ITO-Cl，(C) ITO-Br和(D) ITO-I薄膜的X射线光电子能谱图光谱图
图3. （A）金属端接ITO（001）表面的侧视图和F/Cl/Br/I涂覆ITO表面的电荷转移3D图（绿色亚表面表示电子消耗，红色I表面表示电子积累）；（B）金属端接ITO（001）的俯视图以及表面覆盖率q=0.5时F涂覆ITO、Cl涂覆ITO、Br涂覆ITO和I涂覆ITO的吸附结构。原子的颜色编码如下：In（黄色）、O（红色）、Sn（深蓝色）、F（青绿色）、Cl（绿色）、Br（蓝色）和I（粉红色）；（C）在q=0.5的表面覆盖率下，ITO和ITO-F/Cl/Br/I的计算费米能级、真空能级和功函数；（D） 电荷密度差和（E）表面覆盖率q=0.5时的势能变化与距板坯中心的距离的关系。板中心表示零位置。五条垂直线表示表面金属原子层（灰色）、F原子层（黄色）、Cl原子层（绿色）、Br原子层（红色）和I原子层（紫色）的位置
图4. （A）PM6、L8-BO、和BTP-eC9的化学结构式；（B）基于裸露ITO、ITO-F/Cl/Br/I和PEDOT:PSS阳极的PM6: L8-BO: BTP-eC9太阳能电池的J-V曲线和（C）EQE光谱图；在AM 1.5G（100 mW cm-2）照射下测量的约30个单独设备的（D）PCE和（E）VOC计数直方图
图5.（A） 基于ITO、ITO-F/Cl/Br/I和ITO/PEDOT:PSS阳极的纯空穴器件的暗电流测试图，插图显示了纯空穴器件结构的示意图；（B）通过SCLC测量确定的空穴迁移率；（C）相应器件Jph与Veff的关系图；（D） 基于不同阳极的PM6: L8-BO: BTP-eC9器件的归一化瞬态光电流图；（E）VOC与光强度关系图。（F） 基于不同阳极的PM6: L8-BO: BTP-eC9器件的归一化瞬态光电压图
图6.（A） Eg、Eloss及其详细的三部分ΔE1、ΔE2和ΔE3值；（B）各种光伏体系 ITO/PEDOT:PSS和ITO-Cl器件的PCE；（C） ITO/PEDOT:PSS和ITO-Cl器件在氮气氛围手套箱中的储存、光照和热（85℃）稳定性。（D）归一化PCE、储存稳定性（器件）、光稳定性（器件）和热稳定性（器件）的雷达图，其中从中心到每个轴外侧的坐标范围为0到1。
该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。武汉大学科研公共服务条件平台为此项工作的开展提供了有力的支撑。
论文连接： https://doi.org/10.1002/smll.202406773
